Часть 3. Примесная проводимость полупроводников

Наличие примесей, атомов других химических элементов и дефектов, нарушений регулярного порядка в кристаллической решётке существенно меняет проводимости полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием примесей, называется примесной. Примеси приводят к появлению в запрещённой зоне кристалла энергетических уровней, положение которых зависит от типа примеси или дефекта. При этом, в силу малой концентрации, примеси не образуют энергетических зон.

Пусть валентность примесного атома на единицу больше, чем основного. Например, в кристаллической решётке кремния некоторые атомы оказались замещены атомами фосфора. Один электрон каждого атома фосфора окажется лишним, он не сможет образовать ковалентной связи. Тепловые колебания решётки легко отделяют такие электроны, превращая их в свободные (см. на рис 6.). При этом избыточный положительный заряд остаётся связанным с атомом примеси и перемещаться по решётке не может.

Зонная теория трактует этот процесс следующим образом. Наличие примеси приводит к образованию в запрещённой зоне кристалла примесного уровня D валентных электронов, расположенного вблизи дна зоны проводимости. Такой уровень называется донорным, поскольку атом примеси оказывается донором электронов.

Поскольку ΔE_D<kT даже при обычных температурах, то происходит ионизация атомов примеси. Электроны переходят в зону проводимости. Локализованные на атомах примеси положительные заряды в проводимости не участвуют. Как следствие, возникновение электронной примесной проводимости (проводимости n - типа).

Пусть валентность примесного атома на единицу меньше, чем основного. Например, в кристаллической решётке четырёхвалентного кремния некоторые атомы оказались замещены трёхвалентными атомами бора. Для образования четырёх связей с соседями атому бора не хватает одного электрона. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома кремния, что приведёт к образованию дырки (см. на рис.7). Дырки могут перемещаться по кристаллу, а избыточный отрицательный заряд локализуется атомом бора. Наличие примеси в этом случае приводит к образованию в запрещённой зоне примесного уровня А, не занятого электронами, расположенного вблизи её дна. Такой уровень называется акцепторным, а проводимость дырочной примесной проводимостью или полупроводниками p – типа.

Лекция 2 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды общие сведения.

Прямое включение p-n перехода.

Обратное включение p-n перехода.

Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Барьерная ёмкость p-n перехода.

Пробой p-n перехода.

Разновидности диодов.

Общие сведения

Область называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом, а прибор с одним p-n переходом – полупроводниковым диодом или вентилем. (электронно-дырочный переход; полупроводниковый диод; вентиль)

Созданную внутри монокристалла полупроводника на границе раздела двух сред с разным типом примесной электропроводности (p- и n-типа) область называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом, а прибор с одним p-n переходом – полупроводниковым диодом или вентилем.

Такие переходы изготавливают специальными технологическими приёмами путём внесения примеси определенного типа (например, n-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противоположного типа (p-типа). Свойства p-n перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов.

Если принять, что p-n переход образован в результате соприкосновения (контакта) двух полупроводников p- и n-типов, и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области p-типа равны, то при комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизованы. В этом случае в полупроводнике p-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов n_a равна концентрации свободных дырок n_p , а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров n_d равна концентрации свободных электронов n_n. Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей.

При создании p-n перехода равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями p- и n-типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов – в область p-типа. Как только дырка покинет область p-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд нона донорной примеси.

Кружок тонкой линии – свободные заряды, кружок толстой линии – ионы.

Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создаётся двойной объёмный слой пространственных зарядов, который и называют p-n переходом. Этот слой обеднён основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями p- и n-типов. Часто этот слой называют запирающим.

Однако надо отметить, что концентрация подвижных носителей в p-n переходе изменяется плавно. Существенно обеднён подвижными носителями заряда только средний слой перехода, где их концентрация на несколько порядков меньше, чем в областях p- и n-типов. Поэтому обеднённый, или запирающий, слой несколько уже p-n перехода. Объёмные заряды по обе стороны границы раздела полупроводников имеют разные знаки и создают электрическое поле p-n перехода. Это поле напряжённостью Е направлено от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному слою, т.е. от области n-типа к области p-типа, имеющих одинаковые размеры l_p и l_n (см. рис. 2.). В этом случае электрическое поле является тормозящим для основных носителей и препятствует дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей через p-n переход, стремясь возвратить дырки в область р, а электроны в область n.

На рис. 3. показано изменение напряжённости поля E и его потенциала вдоль оси x, перпендикулярной плоскости p-n перехода. При этом нулевой потенциал будет на границе раздела областей.

Возникающий в p-n переходе потенциальный барьер равен контактной разности потенциалов Δφ_k , которую называют высотой потенциального барьера, где ΔW – минимальная энергия, дополнительно сообщаемая электрону или дырке для перехода в смежную область; q – заряд электрона.

– высота потенциального барьера

На высоту потенциального барьера влияет концентрация примесей (с увеличением концентрации увеличивается и потенциальный барьер). В предельном случае энергия ΔW достигает ширины запрещённой зоны. У германия потенциальный барьер равен 0,3…0,4 В, а в кремнии – 0,7…0,8 В.

При перемещении основных носителей заряда через p-n переход в смежные области против поля p-n перехода возникает диффузионный ток, где токи, образованные соответственно дырками области p и электронами области n.

– диффузионный ток

С перемещением основных носителей заряда начинается перемещение неосновных носителей – дырок p_n области n и электронов n_p области p. Причём перемещение происходит в направлении поля p-n-перехода, которое для них является ускоряющим. Поток неосновных носителей является дрейфовым током или током проводимости, где токи, образованные соответственно дырками n области и электронами p области. (дрейфовый ток; ток проводимости)

При отсутствии внешнего поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей заряда и диффузионный и дрейфовый токи оказываются равными по абсолютному значению.